EP3759365B1 - Verfahren zum energiesparenden und verschleissarmen betreiben eines gaslagers - Google Patents

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EP3759365B1
EP3759365B1 EP19709388.3A EP19709388A EP3759365B1 EP 3759365 B1 EP3759365 B1 EP 3759365B1 EP 19709388 A EP19709388 A EP 19709388A EP 3759365 B1 EP3759365 B1 EP 3759365B1
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gas bearing
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rotor
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Robert Bosch GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a gas bearing, as can be used, for example, in compressors for supplying air or fuel gas to fuel cell systems.
  • the oxidizing agent oxygen from the ambient air is usually used to react with a hydrogen-containing gas in the fuel cell to form water (or water vapor) and thereby supply electrical power through electrochemical conversion.
  • Gas bearings are therefore preferably used in compressors for the air supply of fuel cells, since they are oil-free. Such gas bearings are also in the U.S. 2017/241426 A1 intended.
  • the well-known gas bearing is formed by a rotor and a stator. The rotor goes on one rotation against the stator at a lift-off speed from mixed friction with the stator to fluid friction with a medium located between the stator and the rotor. The speed of the rotor is maintained at or above an idle speed.
  • high acceleration forces can act on the gas bearing, for example due to impacts on the rotor-shaft unit.
  • the restoring force that the gas bearing can exert depends on the pressure of the pressure pad in the gas bearing, and thus on the current speed. If the restoring force cannot compensate for the deflection of the rotor caused by the acceleration force, there is solid contact between the rotor and the stator. Any such contact causes degradation through frictional effects. These contacts are therefore a "summation poison" that eventually culminates in the failure of the gas bearing.
  • a safety factor is usually provided between the no-load speed and the lift-off speed, in order to avoid operation in mixed friction even in the event of possible disruptive influences on the operation of the gas bearing.
  • a fuel cell system with a compressor which has a rotor-shaft unit with a gas bearing in the form of an air foil bearing.
  • An idle speed of the rotor-shaft unit should be kept high enough to avoid mixed friction in the gas bearing.
  • a bypass valve is provided, through which air delivered by the compressor can be discharged in the fuel cell system.
  • a compressor with a synchronous machine having a rotor-shaft unit with an air bearing.
  • the compressor has an impeller connected to the rotor-shaft unit.
  • the minimum speed of the rotor-shaft unit should be higher than the lift-off speed of the air bearing. In order to achieve the fastest possible standstill when the compressor is switched off, the impeller is braked using the synchronous machine.
  • the gas bearing is formed by a rotor and a stator.
  • the rotor When rotating against a stator with a lift-off speed n L , the rotor changes from mixed friction with the stator to fluid friction with a medium located between the stator and the rotor.
  • the reason for this are aerodynamic effects and here in particular the build-up of a pressure cushion between rotor and stator.
  • the speed of the rotor is maintained at or above an idle speed n I . If the idle speed n I is greater than the lift-off speed n L , direct mechanical contact between the rotor and the stator can be avoided.
  • a new value of a safety factor r N : n I /n L between the idle speed n I and the lift-off speed n L determined.
  • the no-load speed n I , of the gas bearing is adjusted to the changed value of the safety factor r N .
  • the first information includes at least one measured value of an acceleration sensor.
  • an acceleration sensor is already present in every modern vehicle, for example in the ABS or ESP system. Since, for example, a fuel cell system usually requires a connection to the vehicle's CAN bus and the ABS or ESP system, for example, is also connected to the CAN bus, neither an additional sensor nor additional wiring is required to update the safety factor r N to measure accelerations for the operation of the gas bearing.
  • the lift-off speed of the gas bearing is not necessarily constant, but can change due to various influences. If these influences are monitored, the safety factor r N can be kept constant, for example, and each increase ⁇ n L in the lift-off speed n L multiplied by the safety factor r N can also be added to the idling speed n I . Just such influences belonged up to now to the unknown quantities, which were one of the reasons for the safety factor r N . If they are quantified, the safety factor r N only has to cover the remaining unknown quantities and can be reduced accordingly.
  • the initial values for the safety factor r N can be constant. However, these values can also be present, for example, as functions of one or more variables or as a parameterized map or model.
  • the acceleration forces encountered during operation of a vehicle are rarely the product of a one-off impact or shock. On the contrary, they are usually caused by a constant interaction between the vehicle and the road it is driving on. Therefore, a history of acceleration forces gives some information about the acceleration forces to be expected in the future.
  • the acceleration forces F to be expected during a forecast period T P in the future are therefore advantageously evaluated from a history of measured values of the acceleration sensor collected in an observation period T B .
  • the status of one and the same section of road typically does not change suddenly over time, but only gradually.
  • the acceleration forces that occur can therefore be predicted, at least to some extent, based on a summary assessment of the condition of the road section.
  • the first piece of information therefore advantageously includes at least one evaluation of a state of a road section on which a vehicle with the gas bearing is located and/or which the vehicle is approaching. This rating can be obtained from any source.
  • the assessment can also be combined with other information, such as the signal from a pothole detector in the vehicle.
  • the evaluation and/or a measured variable decisive for this evaluation can be obtained from a digital map, from an information service that can be reached via a network, and/or from another vehicle. Mapped information about the current condition of the route thus has an added value in that it enables low-wear and at the same time energy-saving operation of vehicles with gas bearings.
  • the first piece of information additionally includes information that a standstill of a vehicle with the gas bearing is to be expected for at least a predetermined period of time. This includes both the case that the vehicle is currently stationary and will continue to be stationary, as well as the case that the vehicle is only in the will stop in the future and remain standing for the specified period of time. If standstill is to be expected, the safety factor r N can be reduced particularly sharply for a longer period of time. In the extreme case, when the vehicle assembly containing the gas bearing is not required during standstill, the rotor-shaft unit of the gas bearing can be shut down completely.
  • a second item of information comprises at least one measured value which relates to the environmental conditions under which the gas bearing is operated.
  • the lift-off speed n L can depend on the ambient temperature and/or the humidity.
  • the ambient conditions have a direct effect on the medium and thus also on its mechanical properties.
  • the mechanical properties are not necessarily only determined by this, but can also depend on state variables of the medium that can only be measured inside the gas bearing. For example, due to friction effects at high speeds, the temperature of the air as the medium of the gas bearing can be significantly higher than that Ambient temperature are heated.
  • the second piece of information therefore advantageously includes at least one measured value which relates to a state variable of the medium.
  • the second piece of information thus advantageously includes at least one usage indicator of the gas bearing.
  • a number of operating hours or a cumulative number of start-stop processes can be considered as usage indicators.
  • a gas storage facility that has already undergone many start-stop processes can be operated with an increased safety factor r N in order to avoid additional degradation.
  • the usage indicator may also contain quantities that are already relevant for the expected change ⁇ F in the acceleration forces F and/or for the expected change ⁇ n L in the take-off speed n L .
  • the second piece of information can also be obtained from an applied model of the gas storage facility.
  • a model can, in particular, determine quantities that cannot be directly measured from accessible quantities.
  • accessible variables can be obtained, for example, by measurement or from a cloud.
  • the idling speed n I is also tracked to a current or future load requirement on a device with the gas bearing.
  • the actual speed of the gas bearing is advantageously controlled and/or regulated to the adjusted idling speed n I by actuating a drive of the rotor-shaft unit of the gas bearing.
  • This converts the adjustment of the no-load speed n I into a physical energy saving when operating the gas bearing.
  • the adjusted idling speed n I can be supplied as a desired value or as a boundary condition to a speed controller of the gas bearing, which in turn acts on the drive via a manipulated variable.
  • the process is not only advantageous for gas bearings in compressors for mobile fuel cells.
  • it can also be used in gas bearings in compressors for stationary fuel cells.
  • stationary fuel cells can be used over longer periods of time than vehicles, so that the influence of use and aging effects on the take-off speed n L becomes more important.
  • the method can also be used, for example, for gas bearings that are installed in compressors for refrigerants, for example in refrigerators or air conditioning systems.
  • the reduced idling speed particularly advantageously enables quieter operation.
  • the method can be implemented entirely or partially in software and in particular can enable an existing computer or control device to carry out the method.
  • this software is a product that can be sold independently, for example for the aftermarket.
  • the invention therefore also relates to a computer program according to claim 13 with machine-readable instructions which, when executed on a computer and/or on a control unit, cause the computer and/or the control unit to implement a method for operating to carry out a gas bearing according to the invention.
  • the invention also relates to a machine-readable data carrier or a download product with the computer program.
  • Figure 1a shows the basic structure of a gas bearing 1 at standstill, or in a state in which the current speed n is less than the lift-off speed n L , in a sectional drawing.
  • the rotor 11 is rotatably mounted against the stator 12 and rests on it. Otherwise, the space between the rotor 11 and the stator 12 is filled with the medium 13, for example air. If the rotor 11 is rotated against the stator 12, which is indicated by the arrow, there is mixed friction between the rotor 11 and the stator 12 due to the solid-state contact.
  • Figure 1b shows the same gas bearing 1 in the state in which the current speed n is equal to or greater than the lift-off speed n L .
  • the medium 13 now forms an all-round pressure cushion between the rotor 11 and the stator 12.
  • the pressure of the medium 13 is increased where the rotor 11 approaches the stator 12. This exerts a restoring force that opposes the deflection.
  • Figure 1c shows the course of the coefficient of friction ⁇ in the gas bearing 1 as a function of the speed n.
  • area I of mixed friction solid-state friction dominates between the rotor 11 and the stator 12.
  • the formation of the pressure cushion from the medium 13 increasingly counteracts the force that presses the rotor 11 against the stator 12.
  • the coefficient of friction ⁇ decreases on balance.
  • the minimum of the coefficient of friction ⁇ is reached at the lift-off speed n L in the transition area II between mixed friction and pure fluid friction:
  • the solid body friction between rotor 11 and stator 12 is eliminated, while at the same time the fluid friction of rotor 11 against the medium 13 is not yet very pronounced.
  • n I is now selected which is in area III of pure fluid friction between the rotor 11 and the medium 13. It is energetically favorable if n I is as close as possible to n L , since the fluid friction increases significantly with increasing speed n. On the other hand, as n I approaches n L , the risk of solid contact between the rotor 11 and the stator 12 occurring in the event of a sudden force acting on the gas bearing 1 increases.
  • the method according to the invention provides an optimal trade-off here, ie the no-load speed n I is reduced as much as possible with an acceptable risk of solid body contact.
  • figure 2 shows an embodiment of the method 100.
  • step 110 a new value of the safety factor r N between the idle speed n I and the lift-off speed n L in response to information 21 that a change ⁇ F of the acceleration forces F acting on the gas bearing is to be expected. determined.
  • the information 21 can come from different sources, which can also be combined with one another.
  • the information 21 includes a measured value 22a of an acceleration sensor 22.
  • Measured values 22a of the acceleration sensor 22 can, however, also be collected, for example, during an observation period T B , and in the optional step 105 the acceleration forces F to be expected during a future forecast period T P be evaluated.
  • the safety factor r N can be tracked, for example, to the changing quality of a route traveled by a vehicle with the gas storage facility 1 .
  • an already completed evaluation 23 of a road section that is currently being traveled on or that will be traveled on in the near future can also be obtained from any source, for example from a digital map 23a, from an information service (cloud) 23b that can be reached via a network, and/or from another vehicle 23c (about vehicle-to-vehicle communication).
  • Information 24 stating that the vehicle with the gas bearing is to be expected to be stationary for at least a predetermined period of time can also be used. As described above, this includes both the case where a current standstill continues and the case where the standstill occurs in the future. Information about both the current and the predicted movement status of the vehicle can therefore be used.
  • a new value n L,neu for the lift-off speed n L can be determined in step 120 in response to information 31 that the lift-off speed n L will change.
  • the information 31 can include, for example, measured values 32 of environmental conditions, measured values 33 of state variables of the medium 13, and/or usage indicators 34 of the gas storage facility 1.
  • the information 31 can also be determined with an applied model 35 of the gas bearing 1, which is evaluated in the control unit, for example.
  • conditions of the gas bearing 1, such as a temperature can be at least approximately determined from such a model 35 in order to save on additional sensors.
  • step 110 is carried out individually or in combination with step 120, the result is a new idle speed n I .
  • This is set in step 130 on the gas bearing 1 and can also track a current or future load requirement on a device with the gas bearing 1 . In this way, it can be avoided, for example, that speed n has to be suddenly accelerated in order to meet the load requirement.
  • figure 3 shows various adjustments to the safety factor r N , or the lift-off speed n L , by way of example.
  • the safety factor r N depends on the absolute speed
  • the safety factor r N which is normally 2.4, drops significantly to 1.5 when the vehicle is stationary and rises sharply again to 2.4 as soon as the vehicle is moving. The method is equally active when the vehicle is driving forwards and reversing.
  • lift-off speed n L is at a first level n L,C .
  • the lift-off speed n L is at a second, higher level n L,W .
  • the safety factor r N is plotted against the vehicle speed v, once for a good road condition (curve r N,G ) and once for a bad road condition (curve r N,S ).
  • the safety factors r N,G and r N,S are the same for both road conditions under consideration. However, if the vehicle is moved, the safety factor r N,S for a poor roadway increases to a significantly higher level than the safety factor r N,G for a good roadway. Furthermore, in contrast to Figure 3a the safety factors r N,G and r N,S are not constant when the vehicle is moving, but increase with increasing speed v. This takes into account the fact that Sudden shocks caused by driving over bumps at higher speeds lead to greater force effects on the gas bearing 1.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gaslagers, wie es beispielsweise in Verdichtern für die Versorgung von Brennstoffzellensystemen mit Luft oder Brenngas verwendbar ist.
    • Stand der Technik
  • Bei Fahrzeugen mit Antriebssystemen auf der Basis von Brennstoffzellen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit einem wasserstoffhaltigen Gas zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und dabei durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.
  • Hierfür ist es in der Regel erforderlich, die Umgebungsluft zu verdichten, um einen ausreichenden Sauerstoffpartialdruck für die Reaktion sowie eine möglichst homogene Verteilung über einen Brennstoffzellenstapel sicherzustellen sowie die Druckverluste im System zu überwinden. Brennstoffzellensysteme mit Verdichtern für die Umgebungsluft sind beispielsweise aus dem Dokument US 2017/241426 A1 bekannt.
  • Die benötigten Drücke und Massenströme an Umgebungsluft erfordern hohe Drehzahlen der Verdichter. Gleichzeitig muss die geförderte Luft ölfrei sein, da die Brennstoffzellen ansonsten verunreinigt und nach kurzer Zeit unbrauchbar würden. Daher werden in Verdichtern für die Luftversorgung von Brennstoffzellen vorzugsweise Gaslager eingesetzt, da sie ölfrei sind. Derartige Gaslager sind auch bei der US 2017/241426 A1 vorgesehen. Das bekannte Gaslager wird durch einen Rotor und einen Stator gebildet. Der Rotor geht bei einer Rotation gegen den Stator mit einer Abhebedrehzahl von einer Mischreibung mit dem Stator in eine Fluidreibung mit einem zwischen Stator und Rotor befindlichen Medium über. Die Drehzahl des Rotors wird auf oder oberhalb einer Leerlaufdrehzahl gehalten.
  • Gerade bei mobilen Anwendungen können hohe Beschleunigungskräfte auf das Gaslager einwirken, beispielsweise durch Stöße auf die Rotor-Welle-Einheit. Die Rückstellkraft, die das Gaslager ausüben kann, hängt vom Druck des Druckpolsters im Gaslager ab, und somit von der aktuellen Drehzahl. Kann die Rückstellkraft die Auslenkung des Rotors durch die Beschleunigungskraft nicht ausgleichen, kommt es zum Festkörperkontakt zwischen Rotor und Stator. Jeder solche Kontakt verursacht eine Degradation durch Reibeffekte. Diese Kontakte sind also ein "Summationsgift", das irgendwann im Ausfall des Gaslagers kulminiert.
  • Daher wird üblicherweise ein Sicherheitsfaktor zwischen der Leerlaufdrehzahl und der Abhebedrehzahl vorgesehen, um auch bei möglichen störenden Einflüssen auf den Betrieb des Gaslagers den Betrieb in der Mischreibung zu vermeiden.
  • Durch die DE 10 2015 211447 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Verdichter bekannt, der eine Rotor-Welle-Einheit mit einem Gaslager in Form eines Luftfolienlagers aufweist. Eine Leerlaufdrehzahl der Rotor-Welle-Einheit soll ausreichend hoch gehalten werden, um Mischreibung im Gaslager zu vermeiden. Um eine unerwünschte Luftförderung des Verdichters bei Leerlaufdrehzahl zu vermeiden ist ein Bypassventil vorgesehen, durch das vom Verdichter geförderte Luft im Brennstoffzellensystem abgeleitet werden kann.
  • Durch die DE 10 2012 208762 A1 ist ein Verdichter mit einer Synchronmaschine bekannt, wobei der Verdichter eine Rotor-Welle-Einheit mit einem Luftlager aufweist. Der Verdichter weist ein mit der Rotor-Welle-Einheit verbundenes Laufrad auf. Die Mindestdrehzahl der Rotor-Welle-Einheit soll über der Abhebedrehzahl des Luftlagers liegen. Um beim Abschalten des Verdichters einen möglichst schnellen Stillstand zu erreichen wird das Laufrad mittels der Synchronmaschine abgebremst.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Es wurde nun erkannt, dass durch dynamische Reduzierung dieses Sicherheitsfaktors rN auf das unbedingt erforderliche Maß zum einen viel Energie eingespart werden kann, da der Energieverbrauch überproportional mit der Drehzahl steigt. Ursache hierfür sind die mit höherer Drehzahl ansteigenden Reibungsverluste. Zum anderen wird auch die Geräuschentwicklung deutlich reduziert.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Betreiben eines Gaslagers nach Anspruch 1 entwickelt. Das Gaslager wird durch einen Rotor und einen Stator gebildet. Bei einer Rotation gegen einen Stator mit einer Abhebedrehzahl nL geht der Rotor von einer Mischreibung mit dem Stator in eine Fluidreibung mit einem zwischen Stator und Rotor befindlichen Medium über. Ursache hierfür sind aerodynamische Effekte und hier insbesondere der Aufbau eines Druckpolsters zwischen Rotor und Stator. Die Drehzahl des Rotors wird auf oder oberhalb einer Leerlaufdrehzahl nI, gehalten. Ist die Leerlaufdrehzahl nI, größer als die Abhebedrehzahl nL, kann ein direkter mechanischer Kontakt zwischen dem Rotor und dem Stator vermieden werden. In Antwort auf eine erste Information, auf Grund derer eine Änderung ΔF der auf das Gaslager wirkenden Beschleunigungskräfte F zu erwarten ist, wird ein neuer Wert eines Sicherheitsfaktors rN:=nI/nL zwischen der Leerlaufdrehzahl nI, und der Abhebedrehzahl nL ermittelt. Die Leerlaufdrehzahl nI, des Gaslagers wird an den geänderten Wert des Sicherheitsfaktors rN angepasst.
  • Erfindungsgemäß umfasst die erste Information mindestens einen Messwert eines Beschleunigungssensors. Gerade beim Einsatz in einem Fahrzeug können Gaslager plötzlich mit hohen Beschleunigungskräften beaufschlagt werden. Auf der anderen Seite sind Beschleunigungssensoren in jedem modernen Fahrzeug bereits vorhanden, beispielsweise im ABS- oder ESP-System. Da beispielsweise ein Brennstoffzellensystem in der Regel eine Verbindung zum CAN-Bus des Fahrzeugs benötigt und etwa das ABS- oder ESP-System ebenfalls mit dem CAN-Bus verbunden ist, ist weder ein zusätzlicher Sensor noch eine zusätzliche Verkabelung notwendig, um zwecks Aktualisierung des Sicherheitsfaktors rN für den Betrieb des Gaslagers Beschleunigungen zu messen.
  • Es wurde weiterhin erkannt, dass die Abhebedrehzahl des Gaslagers nicht unbedingt konstant ist, sondern sich auf Grund verschiedener Einflüsse ändern kann. Werden diese Einflüsse überwacht, so kann beispielsweise der Sicherheitsfaktor rN konstant gehalten und jede Erhöhung ΔnL der Abhebedrehzahl nL multipliziert mit dem Sicherheitsfaktor rN auch auf die Leerlaufdrehzahl nI aufgeschlagen werden. Gerade derartige Einflüsse gehörten bislang zu den unbekannten Größen, die mit ein Grund für die Höhe des Sicherheitsfaktors rN waren. Werden sie quantifiziert, so muss der Sicherheitsfaktor rN nur die dann noch verbliebenen unbekannten Größen abdecken und kann dementsprechend reduziert werden.
  • Im einfachsten Fall können die anfänglichen Werte für den Sicherheitsfaktor rN, konstant vorgegeben sein. Diese Werte können aber auch beispielsweise als Funktionen einer oder mehrerer Variablen oder auch als parametrisiertes Kennfeld oder Modell vorliegen.
  • Die im Betrieb eines Fahrzeugs auftretenden Beschleunigungskräfte sind selten das Produkt eines einmaligen Stoßes oder Schlages. Sie werden vielmehr in der Regel durch eine fortwährende Wechselwirkung zwischen dem Fahrzeug und dem befahrenen Fahrweg verursacht. Daher gibt eine Historie von Beschleunigungskräften einen gewissen Aufschluss über die künftig zu erwartenden Beschleunigungskräfte. Vorteilhaft werden daher aus einer in einem Beobachtungszeitraum TB erhobenen Historie von Messwerten des Beschleunigungssensors die zu erwartenden Beschleunigungskräfte F während eines in der Zukunft liegenden Prognosezeitraums TP ausgewertet.
  • Der Zustand ein und desselben Fahrwegabschnitts ändert sich zeitlich typischerweise nicht plötzlich, sondern nur allmählich. Daher können die auftretenden Beschleunigungskräfte zumindest ansatzweise anhand einer summarischen Bewertung des Zustands des Fahrwegabschnitts vorhergesagt werden. Vorteilhaft umfasst daher die erste Information mindestens eine Bewertung eines Zustandes eines Fahrwegabschnitts, auf dem sich ein Fahrzeug mit dem Gaslager befindet, und/oder dem sich das Fahrzeug nähert. Diese Bewertung kann aus beliebiger Quelle bezogen werden. Die Bewertung kann auch mit anderen Informationen, etwa dem Signal eines im Fahrzeug vorhandenen Schlaglochdetektors, zusammengeführt werden.
  • Beispielsweise kann die Bewertung, und/oder eine für diese Bewertung maßgebliche Messgröße, aus einer digitalen Karte, von einem über ein Netzwerk erreichbaren Informationsdienst, und/oder von einem weiteren Fahrzeug, bezogen werden. Kartographierte Information über den aktuellen Fahrwegzustand erhält somit einen Mehrwert dahingehend, dass sie den verschleißarmen und zugleich energiesparenden Betrieb von Fahrzeugen mit Gaslagern ermöglicht.
  • In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erste Information zusätzlich eine Information, dass ein Stillstand eines Fahrzeugs mit dem Gaslager für mindestens einen vorgegebenen Zeitraum zu erwarten ist. Dies umfasst sowohl den Fall, dass das Fahrzeug gegenwärtig bereits stillsteht und noch weiter stillstehen wird, als auch den Fall, dass das Fahrzeug erst in der Zukunft anhalten und für den vorgegebenen Zeitraum stehenbleiben wird. Wenn ein Stillstand zu erwarten ist, kann der Sicherheitsfaktor rN für einen längeren Zeitraum besonders stark abgesenkt werden. Im Extremfall, wenn die das Gaslager enthaltende Baugruppe des Fahrzeugs während des Stillstands nicht benötigt wird, kann die Rotor-Welle-Einheit des Gaslagers komplett heruntergefahren werden.
  • Beim Herunterfahren der Rotor-Welle-Einheit wird nach dem Unterschreiten der Abhebedrehzahl nL die verbliebene Rotationsenergie des Rotors durch den Festkörper-Kontakt mit dem Stator in Wärme umgesetzt. Das Herunterfahren und spätere erneute Hochfahren auf die ursprüngliche Drehzahl kostet also einen Energiebetrag, der gegen den ansonsten während des Leerlaufs des Gaslagers anfallenden Energiebetrag abzuwägen ist. Weiterhin geht der Festkörper-Kontakt zwischen dem Rotor und dem Stator immer auch mit einer im Stile eines Summationsgiftes wirkenden Degradation beider Bauteile einher. Somit kostet jedes Herunterfahren und erneute Hochfahren der Rotor-Welle-Einheit etwas Lebenserwartung des Gaslagers. Die zeitliche Grenze, ab der der zu erwartende Stillstand als hinreichend lange für ein komplettes Herunterfahren der Rotor-Welle-Einheit erachtet wird, dient der Abwägung der Kosten sowohl in Energie als auch in Lebensdauer gegen den ansonsten im Leerlauf anfallenden Energiebetrag.
  • In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine zweite Information mindestens einen Messwert, der sich auf die Umgebungsbedingungen bezieht, unter denen das Gaslager betrieben wird. So kann beispielsweise die Abhebedrehzahl nL von der Umgebungstemperatur und/oder von der Luftfeuchtigkeit abhängen.
  • Ist beispielsweise Umgebungsluft das Medium zwischen Stator und Rotor, so wirken die Umgebungsbedingungen unmittelbar auf das Medium, und somit auch auf seine mechanischen Eigenschaften. Die mechanischen Eigenschaften werden jedoch nicht zwangsläufig nur hierdurch bestimmt, sondern können auch von Zustandsgrößen des Mediums abhängen, die nur innerhalb des Gaslagers messbar sind. So kann beispielsweise durch Reibeffekte bei hohen Drehzahlen die Temperatur der Luft als Medium des Gaslagers deutlich über die Umgebungstemperatur erwärmt werden. Daher umfasst vorteilhaft die zweite Information mindestens einen Messwert, der sich auf eine Zustandsgröße des Mediums bezieht.
  • Die Abhebedrehzahl nL kann jedoch auch beispielsweise durch Alterung oder Abnutzung des Gaslagers verändert werden. Somit umfasst vorteilhaft die zweite Information mindestens einen Gebrauchsindikator des Gaslagers. Beispielsweise kommen eine Betriebsstundenzahl oder eine kumulierte Anzahl von Start-Stopp-Vorgängen als Gebrauchsindikatoren in Betracht. So kann beispielsweise ein Gaslager, das bereits viele Start-Stopp-Vorgänge hinter sich hat, mit erhöhtem Sicherheitsfaktor rN betrieben werden, um zusätzliche Degradation zu vermeiden. Der Gebrauchsindikator darf auch Größen enthalten, die bereits für die zu erwartende Änderung ΔF der Beschleunigungskräfte F, und/oder für die zu erwartende Änderung ΔnL der Abhebedrehzahl nL, relevant sind.
  • Die zweite Information kann weiterhin auch aus einem applizierten Modell des Gaslagers bezogen werden. Ein solches Modell kann insbesondere Größen, die nicht der direkten Messung zugänglich sind, aus zugänglichen Größen ermitteln. Diese zugänglichen Größen können beispielsweise durch Messung oder aus einer Cloud erhalten werden.
  • In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Leerlaufdrehzahl nI zusätzlich einer gegenwärtigen oder künftigen Lastanforderung an ein Gerät mit dem Gaslager nachgeführt.
  • Befindet sich beispielsweise das Gaslager in einem Verdichter für die Zuführung eines Brenngases oder eines Oxidationsmittels zu einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel, so gibt es für jede Betriebsart der Brennstoffzelle, bzw. des Brennstoffzellenstapels, eine sinnvolle Leerlaufdrehzahl nI, beispielsweise
    • für den minimalen Lastpunkt, in dem der Brennstoffzellenstapel eine minimale Leistung abgibt;
    • für eine Betriebsart, in der ein kleiner Luftmassenstrom über einen Luft-Bypass um den Brennstoffzellenstapel herumgeleitet wird, ohne dass elektrische Leistung abgegeben wird; oder
    • für einen Teillastbereich, in dem ein Teil des Luftmassenstroms in den Brennstoffzellenstapel und ein anderer Teil um ihn herum geleitet wird.
  • Vorteilhaft wird die tatsächliche Drehzahl des Gaslagers durch Ansteuerung eines Antriebs der Rotor-Welle-Einheit des Gaslagers auf die angepasste Leerlaufdrehzahl nI gesteuert und/oder geregelt. Dies überführt die Anpassung der Leerlaufdrehzahl nI in eine physische Energieeinsparung beim Betrieb des Gaslagers. Beispielsweise kann die angepasste Leerlaufdrehzahl nI einem Drehzahlregler des Gaslagers, der wiederum über eine Stellgröße auf den Antrieb einwirkt, als Sollwert oder als Randbedingung zugeführt werden.
  • Das Verfahren ist nicht nur für Gaslager in Verdichtern für mobile Brennstoffzellen vorteilhaft. Es kann beispielsweise auch bei Gaslagern in Verdichtern für stationäre Brennstoffzellen zum Einsatz kommen. Dort treten anders als im Fahrbetrieb keine plötzlichen Stöße auf. Dafür können stationäre Brennstoffzellen über längere Zeiträume eingesetzt werden als Fahrzeuge, so dass dann der Einfluss von Gebrauchs- und Alterungseffekten auf die Abhebedrehzahl nL an Bedeutung gewinnt.
  • Das Verfahren kann weiterhin auch beispielsweise für Gaslager eingesetzt werden, die in Verdichtern für Kältemittel verbaut sind, beispielsweise in Kühlschränken oder Klimaanlagen. Hier ermöglicht die verringerte Leerlaufdrehzahl besonders vorteilhaft einen geräuschärmeren Betrieb.
  • Das Verfahren kann ganz oder teilweise in Software implementiert sein und insbesondere einem existierenden Computer oder Steuergerät die Fähigkeit verleihen, das Verfahren durchzuführen. Diese Software ist insofern ein eigenständig verkaufbares Produkt, beispielsweise für den Nachrüstmarkt. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogramm nach Anspruch 13 mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder auf einem Steuergerät, ausgeführt werden, den Computer, und/oder das Steuergerät, dazu veranlassen, ein Verfahren zum Betreiben eines Gaslagers gemäß der Erfindung auszuführen.
  • Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf einen maschinenlesbaren Datenträger oder ein Downloadprodukt mit dem Computerprogramm.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
    • Ausführungsbeispiele
  • Es zeigt:
    • Figur 1 Prinzipieller Aufbau eines Gaslagers und Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten µ von der Drehzahl n;
    • Figur 2 Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100;
    • Figur 3 Beispielhafte Anpassungen des Sicherheitsfaktors rN, bzw. der Abhebedrehzahl nL.
  • Figur 1a zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Gaslagers 1 bei Stillstand, bzw. in einem Zustand, in dem die aktuelle Drehzahl n kleiner ist als die Abhebedrehzahl nL, in Schnittzeichnung. Der Rotor 11 ist gegen den Stator 12 drehbar gelagert und liegt auf ihm auf. Im Übrigen ist der Zwischenraum zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 12 mit dem Medium 13, beispielsweise Luft, gefüllt. Wird der Rotor 11 gegen den Stator 12 gedreht, was durch den Pfeil angedeutet ist, so gibt es auf Grund des Festkörperkontakts Mischreibung zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 12.
  • Figur 1b zeigt das gleiche Gaslager 1 in dem Zustand, in dem die aktuelle Drehzahl n gleich oder größer der Abhebedrehzahl nL ist. Das Medium 13 bildet nun ein allseitiges Druckpolster zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 12. Bei einer radialen Auslenkung des Rotors 11 gegen den Stator 12 wird dort, wo sich der Rotor 11 dem Stator 12 nähert, der Druck des Mediums 13 erhöht. Dies übt eine Rückstellkraft aus, die der Auslenkung entgegen gerichtet ist.
  • Figur 1c zeigt den Verlauf des Reibungskoeffizienten µ in dem Gaslager 1 als Funktion der Drehzahl n. Im Bereich I der Mischreibung dominiert die Festkörper-Reibung zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 12. Mit steigender Drehzahl n wirkt die Ausbildung des Druckpolsters aus dem Medium 13 zunehmend der Kraft entgegen, die den Rotor 11 gegen den Stator 12 drückt. Damit sinkt per saldo der Reibungskoeffizient µ. Das Minimum des Reibungskoeffizienten µ wird bei der Abhebedrehzahl nL im Übergangsbereich II zwischen Mischreibung und reiner Fluid-Reibung erreicht: Hier wird gerade die Festkörper-Reibung zwischen Rotor 11 und Stator 12 aufgehoben, während zugleich die Fluid-Reibung des Rotors 11 gegen das Medium 13 noch nicht stark ausgeprägt ist.
  • Für einen verschleißarmen Betrieb des Gaslagers 1 wird nun eine Leerlaufdrehzahl nI gewählt, die im Bereich III der reinen Fluid-Reibung zwischen Rotor 11 und Medium 13 liegt. Dabei ist es energetisch günstig, wenn nI möglichst nahe an nL liegt, da die Fluid-Reibung mit zunehmender Drehzahl n deutlich ansteigt. Andererseits steigt mit zunehmender Annäherung von nI an nL das Risiko, dass es bei einer plötzlichen Krafteinwirkung auf das Gaslager 1 zu einem Festkörper-Kontakt zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 12 kommt. Das Verfahren gemäß der Erfindung stellt hier einen optimalen Trade-Off bereit, d.h., die Leerlaufdrehzahl nI wird so weit wie möglich vermindert bei vertretbarem Risiko eines Festkörper-Kontakts.
  • Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100. Gemäß Schritt 110 wird ein neuer Wert des Sicherheitsfaktors rN zwischen der Leerlaufdrehzahl nI und der Abhebedrehzahl nL in Reaktion auf eine Information 21, dass eine Änderung ΔF der auf das Gaslager wirkenden Beschleunigungskräfte F zu erwarten ist, ermittelt. Die Information 21 kann aus verschiedenen Quellen stammen, die auch miteinander kombiniert werden können.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Information 21 einen Messwert 22a eines Beschleunigungssensors 22. Messwerte 22a des Beschleunigungssensors 22 können aber auch beispielsweise während eines Beobachtungszeitraums TB erhoben werden, und im optionalen Schritt 105 können hieraus die zu erwartenden Beschleunigungskräfte F während eines in der Zukunft liegenden Prognosezeitraums TP ausgewertet werden. Auf diese Weise kann der Sicherheitsfaktor rN beispielsweise der wechselnden Qualität eines von einem Fahrzeug mit dem Gaslager 1 befahrenen Fahrweges nachgeführt werden. Es kann aber auch beispielsweise eine bereits fertige Bewertung 23 eines aktuell oder in naher Zukunft befahrenen Fahrwegabschnitts aus einer beliebigen Quelle bezogen werden, beispielsweise aus einer digitalen Karte 23a, von einem über ein Netzwerk erreichbaren Informationsdienst (Cloud) 23b, und/oder von einem weiteren Fahrzeug 23c (etwa über Vehicle-to-Vehicle-Kommunikation). Auch eine Information 24, dass ein Stillstand des Fahrzeugs mit dem Gaslager für mindestens einen vorgegebenen Zeitraum zu erwarten ist, kann herangezogen werden. Wie zuvor beschrieben, umfasst dies sowohl den Fall, dass ein gegenwärtiger Stillstand weiter andauert, als auch den Fall, dass der Stillstand erst künftig eintritt. Es können also Informationen sowohl über den aktuellen als auch über den prädiktiven Bewegungszustand des Fahrzeugs genutzt werden.
  • In Kombination hierzu kann in Schritt 120 ein neuer Wert nL,neu für die Abhebedrehzahl nL in Antwort auf eine Information 31, dass die Abhebedrehzahl nL sich ändern wird, ermittelt werden. Die Information 31 kann beispielsweise Messwerte 32 von Umgebungsbedingungen, Messwerte 33 von Zustandsgrößen des Mediums 13, und/oder Gebrauchsindikatoren 34 des Gaslagers 1 umfassen. Weiterhin kann die Information 31 auch mit einem applizierten Modell 35 des Gaslagers 1 ermittelt werden, das beispielsweise im Steuergerät ausgewertet wird. Beispielsweise können Bedingungen des Gaslagers 1, wie etwa eine Temperatur, aus einem solchen Modell 35 zumindest näherungsweise ermittelt werden, um zusätzliche Sensoren einzusparen.
  • Unabhängig davon, ob Schritt 110 einzeln oder in Kombination mit Schritt 120 durchgeführt wird, entsteht im Ergebnis eine neue Leerlaufdrehzahl nI. Diese wird in Schritt 130 am Gaslager 1 eingestellt und kann hierbei zusätzlich einer gegenwärtigen oder künftigen Lastanforderung an ein Gerät mit dem Gaslager 1 nachgeführt werden. Auf diese Weise kann etwa vermieden werden, dass die Drehzahl n ruckartig beschleunigt werden muss, um die Lastanforderung zu erfüllen.
  • Figur 3 zeigt beispielhaft verschiedene Anpassungen des Sicherheitsfaktors rN, bzw. der Abhebedrehzahl nL.
  • In Figur 3a ist der Sicherheitsfaktor rN abhängig von der absoluten Geschwindigkeit |v| eines Fahrzeugs mit dem Gaslager 1 aufgetragen. Der Sicherheitsfaktor rN, der normalerweise 2,4 beträgt, ist für Fahrzeugstillstand deutlich auf 1,5 abgesenkt und steigt steil wieder auf 2,4, sobald das Fahrzeug bewegt wird. Das Verfahren ist bei Vorwärtsfahrt und Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs gleichermaßen aktiv.
  • In Figur 3b sind die Auswirkungen einer Temperaturänderung auf die Abhebedrehzahl nL dargestellt. Aufgetragen sind Drehzahlen n über der absoluten Fahrzeuggeschwindigkeit |v|.
  • Bei kalter Temperatur ist Abhebedrehzahl nL auf einem ersten Niveau nL,C. Bei warmer Temperatur ist die Abhebedrehzahl nL auf einem zweiten, höheren Niveau nL,W. Bei gleichem Sicherheitsfaktor rN führt dies dazu, dass die Leerlaufdrehzahl nI bei warmer Temperatur (Kurve nI,W) gegenüber der Leerlaufdrehzahl nI bei kalter Temperatur (Kurve nI,C) erhöht ist.
  • Ähnlich zu Figur 3a ist der Sicherheitsfaktor nR für Fahrzeugstillstand abgesenkt, d.h., bei Fahrzeugstillstand ist die Leerlaufdrehzahl nI sowohl bei kalter Temperatur als auch bei warmer Temperatur jeweils deutlich geringer als während der Fahrt.
  • In Figur 3c ist beispielhaft der Sicherheitsfaktor rN über der Fahrzeuggeschwindigkeit v aufgetragen, und zwar einmal für einen guten Fahrwegzustand (Kurve rN,G) und einmal für einen schlechten Fahrwegzustand (Kurve rN,S).
  • Bei Fahrzeugstillstand kann der Fahrwegzustand als solcher keine Stöße auf das Gaslager 1 bewirken. Daher sind dort die Sicherheitsfaktoren rN,G und rN,S für beide betrachteten Fahrwegzustände gleich. Wird das Fahrzeug bewegt, steigt der Sicherheitsfaktor rN,S für einen schlechten Fahrweg jedoch auf ein deutlich höheres Niveau als der Sicherheitsfaktor rN,G für einen guten Fahrweg. Weiterhin sind im Unterschied zu Figur 3a die Sicherheitsfaktoren rN,G und rN,S bei bewegtem Fahrzeug nicht konstant, sondern steigen mit zunehmender Geschwindigkeit v an. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass plötzliche Stöße durch Überfahren von Unebenheiten bei höheren Geschwindigkeiten zu größeren Kraftwirkungen auf das Gaslager 1 führen.

Claims (13)

  1. Verfahren (100) zum Betreiben eines Gaslagers (1), wobei das Gaslager (1) durch einen Rotor (11) und einen Stator (12) gebildet wird, wobei der Rotor (11) bei einer Rotation gegen einen Stator (12) mit einer Abhebedrehzahl nL von einer Mischreibung mit dem Stator (12) in eine Fluidreibung mit einem zwischen Stator (12) und Rotor (11) befindlichen Medium (13) übergeht, wobei die Drehzahl des Rotors (11) auf oder oberhalb einer Leerlaufdrehzahl nI gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Antwort auf eine erste Information (21), auf Grund derer eine Änderung ΔF der auf das Gaslager (1) wirkenden Beschleunigungskräfte F zu erwarten ist, ein neuer Wert eines Sicherheitsfaktors rN:=nI/nL zwischen der Leerlaufdrehzahl nI und der Abhebedrehzahl nL ermittelt wird (110), dass die erste Information (21) mindestens einen Messwert eines Beschleunigungssensors (22) umfasst und dass die Leerlaufdrehzahl nI des Gaslagers (1) an den geänderten Wert des Sicherheitsfaktors rN angepasst wird (130).
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer in einem Beobachtungszeitraum TB erhobenen Historie von Messwerten (22a) des Beschleunigungssensors (22) die zu erwartenden Beschleunigungskräfte F während eines in der Zukunft liegenden Prognosezeitraums TP ausgewertet werden (105).
  3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Information mindestens eine Bewertung (23) eines Zustandes eines Fahrwegabschnitts umfasst, auf dem sich ein Fahrzeug mit dem Gaslager (1) befindet, und/oder dem sich das Fahrzeug nähert.
  4. Verfahren (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertung (23), und/oder eine für diese Bewertung (23) maßgebliche Messgröße, aus einer digitalen Karte (23a), von einem über ein Netzwerk erreichbaren Informationsdienst (23b), und/oder von einem weiteren Fahrzeug (23c), bezogen wird.
  5. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Information (21) eine Information (24) umfasst, dass ein Stillstand eines Fahrzeugs mit dem Gaslager (1) für mindestens einen vorgegebenen Zeitraum zu erwarten ist.
  6. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Antwort auf eine zweite Information (31), auf Grund derer eine Änderung ΔnL der Abhebedrehzahl nL zu erwarten ist, ein neuer Wert nL,neu für die Abhebedrehzahl nL ermittelt wird (120), wobei die Leerlaufdrehzahl nI des Gaslagers (1) an den geänderten Wert nI,neu der Abhebedrehzahl nL, angepasst wird (130), wobei die zweite Information (31) mindestens einen Messwert (32) umfasst, der sich auf die Umgebungsbedingungen bezieht, unter denen das Gaslager (1) betrieben wird.
  7. Verfahren (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Information (31) mindestens einen Messwert (33) umfasst, der sich auf eine Zustandsgröße des Mediums (13) bezieht.
  8. Verfahren (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Information (31) mindestens einen Gebrauchsindikator (34) des Gaslagers (1) umfasst.
  9. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Information (31) mittels eines Modells (35) des Gaslagers (1) ermittelt wird.
  10. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leerlaufdrehzahl nI zusätzlich einer gegenwärtigen oder künftigen Lastanforderung an ein Gerät mit dem Gaslager (1) nachgeführt wird (130).
  11. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche Drehzahl des Gaslagers (1) durch Ansteuerung eines Antriebs der Rotor-Welle-Einheit des Gaslagers (1) auf die angepasste Leerlaufdrehzahl nI gesteuert und/oder geregelt wird.
  12. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaslager (1) in einem Verdichter für die Zuführung eines Brenngases oder eines Oxidationsmittels zu einer Brennstoffzelle gewählt wird.
  13. Computerprogramm, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder auf einem Steuergerät, ausgeführt werden, den Computer, und/oder das Steuergerät, dazu veranlassen, ein Verfahren (100) zum Betreiben eines Gaslagers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.
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